Vật liệu thép với bề mặt nano diệt khuẩn

11:29' AM - Thứ sáu, 04/05/2018

Bằng cách áp dụng quy trình khắc ăn mòn điện hóa lên hợp kim thép không gỉ thông thường, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia (Mỹ) đã tạo ra bề mặt với kết cấu nano, có khả năng tiêu diệt vi khuẩn nhưng không làm hại tế bào trong cơ thể con người và động vật có vú khác. Quy trình này có thể được sử dụng để phòng chống nhiễm khuẩn trên các dụng cụ cấy ghép và các thiết bị kim loại chế biến thực phẩm.

Tuy cơ chế diệt khuẩn của vật liệu với bề mặt nano như trên vẫn chưa được chứng minh rõ ràng, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng các đầu nhọn rất nhỏ và các điểm cỡ nano lồi lên trên bề mặt vật liệu đã đâm thủng màng tế bào vi khuẩn, qua đó giết chết những vi khuẩn này. Bề mặt vật liệu nói trên không có tác động tương tự đối với tế bào của động vật có vú vì những tế bào này lớn hơn vi khuẩn nhiều bậc.

Ngoài tác động diệt khuẩn, phương pháp xử lý nói trên cũng làm tăng độ bền chống ăn mòn của vật liệu.

Theo một phó giáo sư tại Trường Hóa học và kỹ thuật sinh học phân tử Georgia, phương pháp xử lý bề mặt như trên có tiềm năng ứng dụng lớn vì thép không gỉ đang được sử dụng rộng rãi, nhiều lĩnh vực sử dụng thép không gỉ sẽ được hưởng lợi từ kết quả nghiên cứu mới. Hiện nay, một số phương pháp xử lý chống vi khuẩn cũng đã được áp dụng bằng cách bọc phủ các màng bề mặt lên trên vật liệu, nhưng những màng này thường bị rửa trôi sau một thời gian. Trong phương pháp khắc ăn mòn nói trên, bản thân bề mặt thép bị biến đổi nên tạo ra sự thay đổi lâu dài cho vật liệu.

Khi tiến hành thử nghiệm với vi khuẩn E. coli và Staphylococcus Aureus (tụ cầu vàng), các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Georgia nhận thấy bề mặt thép biến đổi theo phương pháp trên đã diệt cả vi khuẩn gram âm và vi khuẩn gram dương. Nhưng vật liệu này không có tác động độc đối với tế bào chuột thử nghiệm - đây là vấn đề quan trọng khi sử dụng vật liệu mới cho dụng cụ cấy ghép trong cơ thể.

Các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu của mình với mục tiêu tạo ra bề mặt siêu kỵ nước trên thép không gỉ nhằm ngăn không cho chất lỏng (và cùng với nó là vi khuẩn) bám lên. Nhưng họ sớm nhận thấy rằng việc tạo ra bề mặt như vậy sẽ đòi hỏi phải áp dụng phương pháp mạ hóa học - đó là điều mà họ không muốn. Sau đó, họ nảy ra ý tưởng sử dụng bề mặt kết cấu nano trên thép không gỉ để ngăn cản sự bám dính của vi khuẩn.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với các bậc điện áp và lưu lượng dòng khác nhau trong quá trình mạ điện hóa tiêu chuẩn. Các quá trình điện hóa thường được sử dụng để làm bóng thép không gỉ, nhưng các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Georgia lại sử dụng quá trình này để làm cho bề mặt vật liệu trở nên thô ráp ở cỡ nano.

Một nhà khoa học trong nhóm cho biết, quá trình tạo kết cấu cũng làm tăng sự phân cách crôm và molybden trên bề mặt vật liệu, vì vậy làm tăng độ bền chống ăn mòn, khác với thép không gỉ làm từ thép thông thường.

Kết quả khảo sát bằng kính hiển vi cho thấy các điểm nhô lên 20-25 nm trên bề mặt vật liệu, giống như địa hình đồi núi với những đỉnh núi nhọn và thung lũng. Các nhà khoa học cho rằng, tính năng diệt khuẩn có liên quan với kích thước của những điểm nhô lên đó, kích thước nhỏ như vậy cho phép chúng tác động lên thành tế bào của vi khuẩn.

Hiệu quả diệt khuẩn của bề mặt mới đã làm cho các nhà khoa học bất ngờ. Do quá trình này chỉ dựa trên tác động lý sinh mà không phải là quá trình hóa học nên vi khuẩn sẽ không thể phát triển khả năng đề kháng để chống lại.

Ngoài các dụng cụ cấy ghép, lĩnh vực ứng dụng tiềm năng thứ hai của kỹ thuật xử lý nói trên là các thiết bị chế biến thực phẩm. ở đây, bề mặt đã xử lý sẽ ngăn không cho vi khuẩn bám lên thiết bị, tăng hiệu quả của các phương pháp khử trùng hiện tại.

Các nhà nghiên cứu đã xử lý những mẫu hợp kim thép không gỉ thông thường bằng phương pháp điện hóa, trong đó dòng điện tác động lên bề mặt vật liệu trong khi nó được ngâm trong dung dịch khắc ăn mòn là axit nitric.

Tác động của dòng điện làm cho điện tử di chuyển từ bề mặt kim loại vào chất điện ly, làm thay đổi kết cấu bề mặt và tập trung hàm lượng crôm cũng như molybden. Kiểu bề mặt được tạo ra và kích thước kết cấu của nó phụ thuộc vào giá trị điện áp và mật độ dòng đặt vào.

Để đánh giá tác động diệt khuẩn của vật liệu mới, các nhà khoa học đã để cho vi khuẩn phát triển trong 48 giờ trên các mẫu bề mặt thép không xử lý và đã xử lý theo phương pháp trên. Kết quả cho thấy, vào cuối thời gian thử nghiệm lượng vi khuẩn trên bề mặt kim loại đã xử lý thấp hơn đáng kể so với bề mặt đối chứng. Kết quả này được xác nhận khi họ đưa vi khuẩn vào dung dịch rồi cho lên các tấm thạch. Trên những tấm thạch được đưa vi khuẩn lấy từ bề mặt thép không xử lý, vi khuẩn đã phát triển mạnh hơn rất nhiều, trong khi đó nhiều vi khuẩn trên bề mặt đã xử lý đã chết.

Mặt khác, nguyên bào sợi của chuột thử nghiệm đã không bị ảnh hưởng bởi bề mặt thép đã xử lý như trên, chúng đã có khả năng phát triển và bao phủ toàn bộ bề mặt mẫu vật liệu. Điều đó cho thấy bề mặt thép đã xử lý là vô hại đối với những tế bào này.

Các nhà khoa học dự định sẽ tiến hành nghiên cứu dài hạn để đảm bảo chắc chắn là vật liệu được xử lý theo phương pháp mới sẽ không có hại đối với động vật có vú, đồng thời xác định độ bền chịu tác động mài mòn của bề mặt đã xử lý.

Nếu hiệu quả của vật liệu mới được kiểm nghiệm, phương pháp trên sẽ có thể được nâng cấp dễ dàng, vì các quá trình điện hóa thường được áp dụng để xử lý vật liệu ở quy mô lớn.

HS

Theo ScienceDaily, 12/2017

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,